[科普中国]-自组装材料

材料科学家们从生物体得到启示，提出一种制造理念，它的基础是能进行自我制造的材料和机器，即自组装材料。

自组装的概念不是新的，它是来自自然界的启示。自然界有大量自组装的例子，一片树叶上的雨滴，通常有一个光滑、弯曲的表面，这恰是光学透镜所要求的形状。磨制这种透镜是一项费力的工作，液滴却自动地呈现这种形状，因为热力学定律要求雨滴采取这种形状，以使不稳定的表面最小而稳定性最高。这种自组装形式称作热力学自组装，只用于构成最简单的结构。

自组装过程自组装过程是一种人类不主动参与的过程，其中的原子、分子、分子聚合体与组件自动排列成有序的、起作用的实体而无需人的介入。相反，大多数现有的制造方法牵涉到人类的指导活动。我们控制着制造和组装的许多重要因素。自组装在制造中排除了人的手。人们可以设计这个程序，然后启动它，但是一旦程序开始运行，它就会按照它自己内部的计划，朝着一种稳定形式或某个系统进行下去，其形式和功能已经在它的组件中进行了编码。1

自组装的优点在今后的几十年中，材料科学家将开始刻意地设计包含自组装原理的机器和制造系统。这种方法有许多优点：

①它能使材料的组装产生许多新奇的性能，消除人的劳动可能引起的误差与损耗；

②人们所预想的未来的微型机器，肯定需要采用自组装的方法制造。1

自组装的材料自组装机器的合理设计始于自组装材料的合理设计。球状的、被称为脂贡体的微胶囊是最早期的成功实例之一。从20世纪60年代以来，生物医学研究者们一直在试验，将脂质体用作体内传送药物的载体。由于胶囊保护了它的内含物不受酶的降解，因而在脂质体外壳内的药物就能比用其他方法保持更长时间的活性。

自组装已经生产出微小的纳米石墨管，可以与人工制出的最细的电线媲美。碳纳米管由几个互相嵌人的同心圆筒组成，直径为纳米级。它们由石墨制成，而石墨是碳在大气压力下热力学上最稳定的一种形式，所以它们往往在碳向热力学平衡状态移动的条件下形成。根据自组原则生成的碳纳米管是良好的导电体，虽然尚不清楚它们的连续结构。化学家们希望使用这种管子作为掺杂体来增加聚合物，用它们制造电路。

的确，碳纳米管可能是自组装材料最有希望的方法之一，这一种方法具体表现在晶体存储器的材料中。这种自组装，对平面存储呈现三维图形，被用于今天的微电子装置中。晶体存储的最小单元是一个硅片或其他能进行各种微电子操作的半导体材料。其中被植入了指令，根据植入的程序，从那些电路接来的信号将触发这些单元开始分化成为特定的角色输人或输出单元、开关、存储元件等。事实上，所有的生命形式都产生于其自身简单的亚单元。微电子存储装置在新世纪可能通过较小的部件结晶化来自行制造，从而开创制造业中的一个新纪元。我们用一套已经建立的指令设计材料以使它们能模仿生命的复杂性，这种想法具有强烈的吸引力。科学工作者们开始了解这种结构及计划利用这种结构用于材料研究，编码的自组装材料确实是属于新世纪的新概念。1

自组装材料的表征自组装材料表征包括相组成、相形态、相界面的测试、表面性质、形态、结构等的测试。这些都可以借鉴的表征方法进行。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学